近表面弹性性质连续变化材料中激光超声波的研究

论文摘要

为了提高金属材料的机械性能,工业上常对金属材料进行各种表面处理,比如:冲击硬化、热处理等。这些表面处理会使金属材料近表面层的弹性性质发生变化,因而通过对该弹性性质的研究能够用来检测表面处理的效果。本文分别从理论计算和实验上对近表面非均匀弹性性质金属材料中的激光超声波的激发和传播进行了研究,为材料近表面层弹性性质的反演提供了依据。考虑到材料近表面层弹性性质变化的特征,建立了一种激光在基底上的多层材料中激发超声波的理论模型。基于热弹激发超声的经典理论,利用有限元方法模拟了脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程,研究了近表面离散层数对超声波产生和传播的影响。通过热分析得到了材料受激光点源照射后的温度场分布;通过热—结构耦合分析得到了近表面弹性性质连续变化材料中超声波的时域波形。利用有限元方法计算了近表面层“变硬”和“变软"、不同近表面层厚度及不同的弹性常数变化的情况下材料中传播的超声波的时域波形。利用二维快速傅立叶变换的时频分析方法,对有限元计算得到的时域信号进行了分离,得到了各个模式超声波的相速度色散曲线。进而分析了近表面层厚度的变化及不同的弹性常数分布对超声波模式和速度的影响。为了克服利用有限元法计算的过程中由于分层导致的伪超声波的出现,提出了一种利用正交多项式展开的解析方法对材料中的超声场进行计算。用一个适当阶数的多项式来表示表面层的弹性性质沿厚度方向的空间分布,这能够很好的反映其表面性质到未受影响下层性质的连续分布。超声场表示成正交多项式的线性组合,结合边界条件通过求解波动方程能够直接得到超声波的速度色散曲线。这种方法对半无限厚板中的Rayleigh波和有限厚薄板中的Lamb波的传播特性进行了研究,并对各种不同分布的材料中超声波的相速度色散特征进行了解释。建立了利用PvDF传感器检测激光超声的实验系统,得到了不同激光冲击硬化金属中激励的声表面波时域波形,进而用相位谱法对该时域波形进行时频分析。利用这套实验装置对不同冲击硬化样品进行实验探测的结果表明:激光冲击作用时光斑直径越大及冲击次数越多,其效果越好,冲击后近表面材料的弹性性质变化越大,声表面波相速度色散越大。并对样品中声表面波的速度色散原因进行了解释。本文的研究成果将为激光超声用于近表面弹性性质非均匀材料的无损检测提供理论和实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究概述
• 1.2.1 激光超声超声检测的发展概述
• 1.2.2 非均匀材料中激光超声波传播问题的研究概述
• 1.2.3 近表面非均匀材料检测的研究概述
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 固体中的超声波理论及激光激发机制
• 2.1 弹性介质中质点的运动方程和声波
• 2.1.1 质点的运动方程
• 2.1.2 各项同性弹性介质中的超声波
• 2.2 不同类型介质空间中的超声波
• 2.2.1 体声波
• 2.2.2 声表面波
• 2.2.3 界面波
• 2.2.4 Lamb波
• 2.2.5 水平剪切SH波
• 2.3 脉冲激光激发超声波的机制
• 2.3.1 脉冲激光激发超声的机制
• 2.3.2 脉冲激光激发超声的解析模型
• 2.4 本章小结
• 3 近表面弹性性质连续变化的材料中激光超声的有限元计算
• 3.1 热弹性理论
• 3.1.1 热传导理论
• 3.1.2 热结构耦合理论
• 3.1.3 热弹耦合的有限元方程
• 3.2 计算模型
• 3.3 数值模拟结果及讨论
• 3.4 超声信号的时频分析
• 3.4.1 超声信号时频分析理论
• 3.4.2 近表面层杨氏模量的变化对声波色散的影响
• 3.4.3 近表面层厚度的变化对声波色散的影响
• 3.5 本章小结
• 4 利用正交多项式计算近表面弹性性质连续变化材料中的超声波
• 4.1 物理模型及计算理论
• 4.1.1 有限厚度板中的超声波
• 4.1.2 半无限厚度板中的超声波
• 4.2 理论计算的结果及讨论
• 4.2.1 近表面性质连续变化的有限厚度板中的超声波
• 4.2.2 近表面性质连续变化的半无限厚度板中的超声波
• 4.3 本章小结
• 5 激光冲击硬化材料中的激光声表面波
• 5.1 激光冲击硬化
• 5.1.1 激光冲击硬化机理
• 5.1.2 实验样品
• 5.2 实验检测系统
• 5.2.1 PVDF压电薄膜
• 5.2.2 PVDF压电薄膜传感器
• 5.2.3 利用PVDF压电传感器检测激光声表面波的实验系统
• 5.2.4 声表面波速度分析的相位谱法
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 采用不同焦斑直径冲击样品中的激光声表面波
• 5.3.2 采用不同冲击次数冲击样品中的激光声表面波
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录